從微觀粒子層面探究納米材料特性

【摘要】對(duì)納米材料的研究在世界范圍內(nèi)尚處于萌芽狀態(tài)。當(dāng)人類(lèi)現(xiàn)有的科技水平、技術(shù)手段和認(rèn)知能力面對(duì)“納米”中看不透的迷宮和重重鐵幕時(shí)，立足于已有研究成果壘筑的基礎(chǔ)平臺(tái)，理性假設(shè)、小心求證的學(xué)術(shù)努力也是十分必要的。

　　納米材料科學(xué)雖是一門(mén)新興學(xué)科，但它的研究歷史可以追溯到中國(guó)古代文房四寶中的黑墨。而在現(xiàn)代科技體系語(yǔ)境下，最早對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行理論描述的學(xué)者是理查德·費(fèi)曼;首次提出“納米”概念的是日本學(xué)者谷口紀(jì)男。納米材料理論和技術(shù)作為一門(mén)正式的學(xué)科得以確立，則始于1990年7月在美國(guó)召開(kāi)的第一屆國(guó)際納米科技會(huì)議。此后，對(duì)這一領(lǐng)域的探索和開(kāi)拓一浪高過(guò)一浪，方興未艾。

    當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的研究大致分為兩個(gè)主要的方向：一是基礎(chǔ)理論研究，即對(duì)納米材料形成及其物理化學(xué)特性和典型結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理、機(jī)制探索和構(gòu)建；一是工程應(yīng)用研究，即對(duì)納米材料的制備、加工、測(cè)量、使用等應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和完善。兩類(lèi)研究都以材料基本單元的物理尺度和維度結(jié)構(gòu)作為主要的切入點(diǎn)和重點(diǎn)。涉及納米材料中原子層面以下微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、這些微觀粒子間的能量傳遞變化規(guī)律，以及它們與納米材料物理化學(xué)特性和典型結(jié)構(gòu)形成之間關(guān)系的研究成果并不多見(jiàn)。

    發(fā)表在2014年第1期《前沿科學(xué)》上的《納米材料特性形成機(jī)理的微觀探析》一文，對(duì)現(xiàn)有研究成果中有突破前景的若干問(wèn)題進(jìn)行了梳理。通過(guò)文獻(xiàn)分析，強(qiáng)調(diào)了“必須從微觀粒子的層面去探究問(wèn)題的必要性”。著眼于納米材料在其基本單元維度結(jié)構(gòu)環(huán)境下，材料中微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能量變化；指出納米材料物理化學(xué)特性“涉及到基本粒子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、能量變化等深層次的問(wèn)題”。通過(guò)合理假設(shè)和分析推理，首先從微觀粒子的運(yùn)動(dòng)和能量結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，給出了“納米材料的原子的寬自由度運(yùn)動(dòng)和交合的形態(tài)”使“粒子間的核力結(jié)合預(yù)選位置數(shù)多于常態(tài)的物質(zhì)材料，從而形成了具有自由態(tài)的變性形態(tài)，所以使納米材料表現(xiàn)出特殊性能”的初步結(jié)論。然后借助于文中提出的“核質(zhì)態(tài)迷粒子鍵”“移活性控制力”“外延夸克力”、“負(fù)核力的能量粒子”“非鍵軌道”等一系列新概念，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了全面分析和演繹論證。得到了“基本粒子的維度結(jié)構(gòu)及結(jié)合力（能量結(jié)構(gòu)），在正常情況下，決定了常態(tài)物質(zhì)材料的宏觀性能，然而一旦這樣的維度結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的結(jié)合力出現(xiàn)背離常態(tài)的變化后，就會(huì)使材料宏觀特性發(fā)生明顯變化。納米材料正是基于這樣的原因而發(fā)生變性的完整結(jié)論。

    文章基于上述觀點(diǎn)、原理和分析方法，就原因、過(guò)程和結(jié)果等環(huán)節(jié)對(duì)能量結(jié)構(gòu)變化后的小分子特性進(jìn)行了描述。進(jìn)而對(duì)納米材料的磁學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等5個(gè)方面的變性效應(yīng)以及納米材料幾種典型結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理做了闡釋。指出，“當(dāng)納米晶粒產(chǎn)生界面效應(yīng)，這樣一種小分子特性形成后，由于晶粒尺寸單位的減小，宏觀上就表現(xiàn)出這一類(lèi)材料會(huì)對(duì)磁、電、光、力和熱等產(chǎn)生不同變性的晶粒效應(yīng)”；而“納米晶粒的結(jié)構(gòu)，取決于納米晶粒中的原子——夸克的能量態(tài)和虛量態(tài)的自由交合，不同形式的交合形成了多種形態(tài)的結(jié)構(gòu)體”。

    文章還分別“從物質(zhì)材料粒子的維度和能量狀況背離常態(tài)后，產(chǎn)生了奇異特性的角度”和“從物質(zhì)材料尺寸變化引起特性變化的角度”出發(fā)，對(duì)納米材料給出了兩個(gè)各有側(cè)重的定義。將文中兩種定義與歐盟對(duì)納米材料的系統(tǒng)定義放在一起理解，自有一精一全、相得益彰的收獲。

    文中關(guān)于夸克、迷粒子、膠子、貝粒子、單奇子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)描述和能量傳遞描述是全文的精髓。這是作者長(zhǎng)期研究容介態(tài)理論——包括自然容介態(tài)、生命容介態(tài)和思維容介態(tài)所得成果在納米技術(shù)領(lǐng)域的借鑒運(yùn)用，極富創(chuàng)新性和前瞻性。這里的分析方法和演繹結(jié)論既是納米技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有研究過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的很多現(xiàn)象、包括某些無(wú)法解釋的現(xiàn)象的一種推理性延伸，也為后續(xù)的進(jìn)一步研究給出了一種啟示性的方向。必須指出的是，上述關(guān)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能量傳遞兩方面的描述，有些是基于作者針對(duì)微觀粒子領(lǐng)域提出的假說(shuō)和推理來(lái)展開(kāi)的。以宏觀物理特別是宏觀工程的角度看，這樣基于假說(shuō)的論述似乎缺乏實(shí)驗(yàn)支撐。但實(shí)際上，由于納米材料物質(zhì)單元其物理尺寸是介于原子簇（個(gè)位數(shù)至三位數(shù)個(gè)原子）與宏觀物體尺寸之間的介觀區(qū)域，其長(zhǎng)度已經(jīng)與電子的相干長(zhǎng)度以及光波長(zhǎng)度比較接近，這時(shí)傳統(tǒng)力學(xué)和宏觀物理的基本觀點(diǎn)和原理已經(jīng)不能適用，必須采用量子力學(xué)的基本原理和分析方法（包括其猜想、假說(shuō)和推理）來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)虼宋闹屑僬f(shuō)和推理有其學(xué)理背景及邏輯淵源。而作者在此基礎(chǔ)上的分析和論證則是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，所得結(jié)論自有其獨(dú)到的學(xué)術(shù)價(jià)值和科學(xué)意義。

    對(duì)納米材料的研究在世界范圍內(nèi)尚處于萌芽狀態(tài)，無(wú)論基礎(chǔ)理論方面還是應(yīng)用技術(shù)方面都還有很多未知領(lǐng)域。在這個(gè)新興領(lǐng)域耕耘，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)、以數(shù)理推導(dǎo)為工具，中規(guī)中距地開(kāi)展工作無(wú)疑是至關(guān)重要的。但大自然的奧秘?zé)o窮無(wú)盡，暫時(shí)無(wú)法解析驗(yàn)證的東西實(shí)在太多。在“未知”面前堅(jiān)持“摸索求取總比守株待兔要好”的思想方法，其實(shí)一直都是量子力學(xué)、納米材料科學(xué)等微觀、介觀領(lǐng)域?qū)W科能夠不斷發(fā)展的根本動(dòng)力。因此，當(dāng)人類(lèi)現(xiàn)有的科技水平、技術(shù)手段和認(rèn)知能力面對(duì)“納米”中看不透的迷宮和重重鐵幕時(shí)，立足于已有研究成果壘筑的基礎(chǔ)平臺(tái)，理性假設(shè)、小心求證的學(xué)術(shù)努力也是十分必要的。因?yàn)檫@種努力的過(guò)程和結(jié)果即便不會(huì)有吹糠見(jiàn)米的收獲，也至少可以為人們提供一個(gè)混沌系統(tǒng)中或正或反的參考坐標(biāo)和大致的突破方向。從這個(gè)意義上說(shuō)，《納米材料特性形成機(jī)理的微觀探析》一文，無(wú)論在納米材料基礎(chǔ)理論系統(tǒng)構(gòu)建上還是在工程應(yīng)用研究上都有其不容忽視的特殊意義。

    （作者系中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司研究員級(jí)高級(jí)工程師）